煤气用压力变送器需要提防氢脆现象

作为煤炭清洁化高效转化技术的核心,造气炉在运转时的各项参数也都需要不间断的监控,压力作为重要参数之一,当然也就少不了压力变送器的应用,但造气炉在运作时,其工作环境处于高温高压,这种环境会导致常规压力百年送去给的测量膜片出现氢脆的现象,即氢气渗透进金属,造成金属断裂的情况。

       在能源清洁化成为前提的现在,煤炭资源大部分都被转化成煤气这种清洁能源。作为煤炭清洁化高效转化技术的核心,造气炉在运转时的各项参数也都需要不间断的监控,压力作为重要参数之一,当然也就少不了压力变送器的应用,但造气炉在运作时,其工作环境处于高温高压,这种环境会导致常规压力百年送去给的测量膜片出现氢脆的现象,即氢气渗透进金属,造成金属断裂的情况。

      下面,针对氢脆这一现象,我们将提出使用镀金膜片测氢气的镀金膜片压力变送器并解释应该如何处理这一问题。

一、氢脆现象的概述

       氢是自然界中最小的原子,氢气其本身化学性质活泼但并不具备腐蚀性,却因其体积而获得了极强的渗透能力,由于氢原子的尺寸远小于金属原子,因此在高温高压的环境下氢气可以解离成氢原子并渗透到金属材料的经过点阵的间隙位置,此时,当压力消失后氢气,氢气会再度从变送器的膜片中逸出,这样反复经过一段时间后,压力变送器的膜片就好像被腐蚀了一样变得多孔和脆弱,如果还有氢气分子逃逸穿过了膜片,进入到硅油之中,因为硅油所在的毛细管因为是需要导压的,所以是全封闭的,此时多出来的氢气还会造成压力变送器膜片的变形,导致压力变送器测量不精准。

 

二、氢脆现象对压力变送器的影响

       由于测量膜片厚度不足 0.1mm,常规的压力变送器下极易出现氢脆现象并受到影响,导致测量膜片韧性退化失去弹性,出现空腔鼓包或者裂纹。随着时间推移氢分子甚至可以穿透测量膜片进入隔离硅油传导液,出现气泡增加了压力传递过程中的损耗,还会直接干扰压力变送器的测量效果,导致压力变送器零点漂移、输出不稳定,出现测量误差令压力测量参数波动,更为严重的情况下甚至损坏仪表造成事故发生。压力变送器是集测量与信号变送为一体的设备,它可以将压力信号转化为标准电动信号用以控制和进行实时数据远传,其核心元件是传感器芯体及测量膜盒。在清脆现象发生的过程中,如果是法兰远传型的压力变送器其本体并不会受到任何的损伤,但由于前端的压力传导压力被破坏,压力变送器本身测得的数据也将完全失真,无法正常运作。而如果压力变送器和法兰是直接连接,当硅油中充满了氢气分子时或者波纹膜片直接接触氢气时,压力变送器本身也会遭到破坏。

      当使用镀金膜片时,因为金的质地更密。

 

三、煤气化装置工况下压力变送器测量膜片的选型

3.1 工艺状况简介

       工业煤气化技术为保障连续化不间断生产、提高合成气产 量规模,通常是在造气炉中以水作为气化剂,在高温高压条件 令煤炭与水蒸气发生反应生成合成气( 主要成分为氢气及一氧化碳,此外含有少量二氧化碳及其它微量杂质) ,主要反应方程式是 C + H2 O 幑幐CO + H2及C +2H2O 幑幐CO2+2H2 。随着技术不断改进,目前大规模煤气化技术主要分成三种技术方案,即气流床气化技术、流化床气化技术及固定床气化技术[4], 其核心部件是造气炉。以德士古( Texaco) 、壳牌( Shell) 为代表的气流床造气炉技术可靠、工艺成熟,具备转化效率高、自动化生产连续性好、产量稳定、煤种适应范围广泛等诸多优点,是目前煤气化技术发展和应用的主流趋势。根据相关企业的自控方案,气化炉上有诸多仪表测点( 如温度、压力、流量等) ,需要采集压力参数并远传至造气装置的自控系统中。

3.2 压力变送器测量膜片的选型

       气化炉压力参数直接关系到造气工段稳定运行和安全生 产,是操作过程自动化控制中的一个重要工艺指标。它直接参与了气化炉安全联锁停车动作,因此压力仪表选型需要得到重视,选择技术可靠且使用寿命较长的仪表来确保采集有效准确的工艺参数。气化炉压力测量基本选型采用压力变送器得到 诸多设计单位及用户企业的共识,但是忽视氢脆现象、不注意 压力变送器测量膜片选型的案例时有发生,这种情况需要引起 重视并值得深思。

       根据相关资料,目前常见的气流床造气炉测点处工况温度参数为250℃,工况压力参数为3.75MPa,合成气中氢气含量不低于30%( 摩尔分数),则合成气中氢气分压不小于1.125MPa(3.75MPa×30%=1.125MPa)。该工况属于高温临氢场合,即流体最高操作温度超过 200℃ 且流体中氢分压超过0.7MPa的工艺环境。高温临氢场合下金属设备极易发生氢脆现象,并且随着环境温度、压力及氢气浓度的增加,氢脆现象会愈加显著(其中环境温度是最为关键的影响因素)。因此造气炉压力变送器的测量膜片需要具备防止氢气渗透的功能,减小氢脆现 象的影响。

       由于金具备细密的晶格点阵,因此氢不易渗透或溶解在金材料内部。此外金是非常稳定的金属元素,具备良好的抗腐蚀 性能及延展性,可以制作成极薄的抗腐蚀涂层。针对这种特性,目前全球诸多知名的压力变送器供应商( 日本横河、美国霍尼韦尔、美国麦德胜) 研发了镀金膜片型压力变送器,通过镀金涂层可以对测量膜片形成保护膜,有效隔离并防止氢气渗透,从而显著降低了氢脆现象的影响。该工艺采用高温长时间烧结技术,在压力变送器隔离膜片(材质为316L奥氏体不锈钢)表层镀上一层黄金镀层( 减少氢渗透作用),黄金镀层基面再镀上一层陶瓷镀膜(用于隔离氢)。这种双层镀膜质地致密均匀、坚固耐腐、不受应力影响,镀层极薄( 通常不足3μmm) 不影响测量精度,较之纯金膜片造价低廉且性能不受影响。采用镀金膜片型压力变送器,能够满足煤造气装置造气炉的工艺要求,适宜于高温临氢场合下长期使用。这种新式的压力变送器在煤造气行业已得到逐步推广,根据企业反馈结果使用性能和仪表寿命明显优于普通的压力变送器。

四、结 语

       合理对压力仪表选型,是确保生产安全的重要手段。本文提及的镀金膜片型压力变送器也适用于石化行业( 如加氢、制氢装置)的高温临氢场合,为类似工程压力仪表选型及设计提供一定的参考和借鉴。

 


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